Pourquoi la nuit est-elle noire ? Le paradoxe d`Olbers et ses solutions

Festival de Fleurance, août 2008
Pourquoi la nuit est-elle noire ?
Jean-Marc Lévy-Leblond, Université de Nice
« Cette obscure clarté qui tombe des étoiles… »
Corneille, Le Cid
Document
Le paradoxe d’Olbers et ses solutions
David Newton, Dept of Physics and Astronomy, University of Leeds
Résumé
Au sein d’un Univers homogène, infini dans le temps et l’espace, toute ligne de visée doit
aboutir à la surface d’une étoile, et toute portion du ciel avoir l’éclat du Soleil. Pourquoi donc
le ciel est-il noir la nuit ? Telle est le problème étudié par Heinrich Olbers en 1826 — mais la
question était posée depuis 1577 (Thomas Digges). En un demi-millénaire, plusieurs
réponses ont été proposées ; pourtant, l’énigme n’a vraiment été comprise qu’à la fin du XXe
siècle. La solution moderne révèle la profonde signification cosmologique de l’obscurité
nocturne. L’histoire du paradoxe d’Olbers révèle l’ampleur des changements dans notre
conception de l’Univers.
Jusqu’au seizième siècle, la conception occidentale de l’Univers est restée semblable à
celle qu’avait proposée Aristote près de deux mille ans auparavant. Dans ce modèle,
la Terre était au centre de l’Univers, le Soleil et les planètes tournant autour d’elle.
Englobant ce système, une mince coque sphérique portant les étoiles, et au-delà, le
néant. Cette représentation était en accord avec les observations scientifiques
disponibles aussi bien qu’avec les dogmes théologiques dominants, et l’idée d’un
Univers fini et borné, centré sur la Terre s’imposait comme évidente. Le seul aspect
de ce modèle géocentrique qui pouvait être questionné concernait la trajectoire
exacte des planètes autour de la Terre : initialement considérées comme des cercles
parfaits, ces trajectoires avaient évolué en boucles complexes, qui pourtant
échouaient à prédire exactement les mouvements planétaires. C’est en tentant de
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revenir aux orbites rigoureusement circulaires des anciens Grecs, que l’astronome
polonais Nicolas Copernic introduisit un nouveau modèle héliocentrique de
l’Univers. Dans ce modèle, le Soleil était placé au centre de l’Univers (toujours fini et
borné), les planètes tournant autour de lui. Malheureusement, ce modèle n’était pas
plus précis que le modèle géocentrique pour prédire les mouvements des planètes ;
mais en écartant la Terre du centre de l’Univers, Copernic avait jeté les bases d’un
principe scientifique fondamental qui allait être l’objet de controverses acharnées
pendant les cinq siècles suivants, mais qui constitue désormais le fondement de toute
la cosmologie moderne.
Des étoiles jusqu’à l’infini ?
L’argument implicite qu’introduisit Copernic (sans doute inconsciemment) est le
suivant : si la Terre n’est pas le centre de l’Univers, pourquoi serait-il en tout autre
lieu, et pourquoi même l’Univers aurait-il un centre ? En vérité, l’idée n’était pas
neuve : le poème épique écrit par Lucrèce en 55 av. J.-C., La nature des choses, avait
été redécouvert, et l’idée d’un Univers infini était connue, sinon effectivement
discutée, par nombre d’auteurs du XVIe siècle [au premier chef Giordano Bruno].
L’un des premiers à suggérer sérieusement un Univers infini fut le mathématicien et
astronome Thomas Digges qui publia sa Parfaicte description des orbes célestes à
Londres en 1576. Digges fit hardiment exploser la sphère aristotélicienne des étoiles
fixes et dispersa les étoiles au hasard dans l’espace infini. Ce faisant, il nota que son
modèle soulevait un problème qui est la première version de ce qu’on appelle
aujourd’hui le paradoxe d’Olbers : pourquoi cette infinité d’étoiles ne rendaient-elles
pas lumineux le ciel nocturne ? La réponse, selon Digges, était que la plupart d’entre
elles sont trop loin pour être visibles. Bien que Digges ait mentionné cette solution en
une ligne incidente de son livre, le paradoxe n’a cessé depuis de solliciter
l’imagination des astronomes.
D’autres partisans d’un Univers infini au XVIe et XVIIe siècles aboutirent à la même
solution que Digges, bien qu’elle ne résiste guère à une investigation rapide : même
si chaque étoile lointaine est trop faible pour être vue individuellement, le flux
lumineux collectif de toutes ces étoiles devraient faire briller le ciel nocturne. Le
premier à le comprendre fut Johannes Kepler qui nota avec une brillante intuition
que l’obscurité relative de la nuit possédait une considérable portée cosmologique.
Dans son opuscule de 1610, Conversation avec le messager céleste (répondant au livre
majeur de Galilée, Le messager des étoiles), Kepler défendit un Univers fini et borné en
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arguant que, dans un Univers infini aux étoiles dispersées dans tout l’espace, « la
voûte céleste entière serait aussi lumineuse que le Soleil ».
Cet argument crucial de Kepler semblait écarter la notion d’un Univers infini, mais
après les travaux de Galilée et, ironiquement, de Kepler lui-même, confirmant le
modèle copernicien héliocentrique, l’idée d’un Univers limité paraissait de moins en
moins attrayante pour nombre d’astronomes. Les lois de la gravitation d’Isaac
Newton, qui expliquaient et prédisaient d’une façon remarquable les mouvements
planétaires, demandaient d’ailleurs un Univers infini et homogène (pour lui éviter de
s’effondrer sur lui-même). La résolution du paradoxe devint donc une question vive
et le resta pendant les trois siècles qui suivirent.
La formalisation du paradoxe
La première analyse mathématique sérieuse du problème fut menée par le
mathématicien suisse Jean-Philippe Loys de Chéseaux en 1744. Inspiré par un travail
d’Edmund Halley, de Chéseaux imagina une série de couches sphériques
concentriques d’épaisseur constante centrée sur l’observateur. Si cette épaisseur est
petite devant le rayon (la distance à l’observateur), le nombre d’étoiles dans chaque
couche est proportionnel à sa surface, donc au carré de ce rayon. Mais l’intensité
lumineuse parvenant au centre depuis une étoile est inversement proportionnelle au
carré de sa distance, c’est-à-dire au rayon de la couche à laquelle elle appartient.
Ainsi, la proportion du ciel couverte d’étoiles est-elle la même pour chacune des
couches. De Chéseaux montra alors qu’il fallait ajouter ces couches jusqu’à une
distance de trois millions de milliards d’années-lumière [en unités modernes] pour
que le ciel soit entièrement couvert d’étoiles (au nombre d’approximativement 1046).
La surface apparente du ciel entier étant environ 180.000 fois plus grande que celle du
Soleil, la lumière stellaire totale tombant sur Terre devrait être 180.000 fois plus
intense que celle du Soleil. Peut-être dépassé par l’énormité de cette conclusion, de
Chéseaux suggéra faiblement qu’un milieu interstellaire absorbant atténuait cet éclat
stellaire.
Malgré le caractère peu convaincant de la solution proposée par de Chéseaux [voir
plus bas], personne n’offrit mieux pendant plus d’un siècle. En 1826, Heinrich Olbers
effectua un traitement semblable (encore que moins rigoureux) et parvint aux
mêmes conclusions. Bien qu’Olbers n’ait fait que reprendre les idées de Halley et de
Chéseaux, la forme moderne du paradoxe a pris son nom, peut-être parce qu’il en a
offert la version la plus succincte en introduisant l’argument de la ligne de visée :
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dans un Univers infini et homogène, toute ligne de visée doit aboutir à la surface
d’une étoile — pourquoi donc le ciel est-il noir la nuit ? L’avantage de cet argument
est qu’il ne requiert pas une distribution aléatoire uniforme des étoiles dans l’espace,
mais fonctionne aussi bien si les étoiles sont regroupées (par exemple en galaxies).
C’est en 1831 seulement que John Herschel invalida la théorie d’un milieu
interstellaire absorbant en montrant que, dans un Univers rempli d’un rayonnement
180.000 fois plus intense que la lumière solaire, ce milieu interstellaire s’échaufferait
jusqu’à ce qu’il cesse d’absorber le rayonnement, et se contente de le diffuser
[devenant aussi lumineux que le fond stellaire qu’il masquerait …et remplacerait].
Après ce travail de Herschel, personne ne reprit plus l’idée de l’absorption comme
solution du paradoxe — à la notable exception près d’Edward Fournier d’Albe qui
suggéra que même si le ciel est couvert d’étoiles, la plupart pourraient être éteintes et
donc sombres. Une autre suggestion pince-sans-rire de d’Albe fut que les étoiles
n’étaient peut-être pas réparties au hasard mais alignées de façon que les plus
proches occultent les suivantes. Bien que délibérément fantaisiste, cette solution
illustre un subtil changement dans l’interprétation même du paradoxe. Comme le
note Edward Harrison dans son livre Le noir de la nuit, avant Herschel, la question
semblait être celle de la lumière stellaire manquante. Après Herschel, le manque de
toute réponse réaliste quant au sort de cette lumière transforma la question qui
devint celle du déficit des étoiles elles-mêmes.
Ainsi, tout en supposant l’espace infini et homogène, un modèle d’Univers populaire
à la fin du XIXe siècle était celui d’une collection d’étoiles immense mais finie — la
Voie lactée —, au-delà de laquelle s’étendait un vide sans fin. L’Univers victorien se
mettait à régresser vers l’Univers aristotélicien — et le paradoxe disparaissait.
La vitesse de la lumière
Un aspect singulier du paradoxe d’Olbers est que, bien qu’ayant attiré l’attention de
nombre de savants fameux depuis sa conception au XVIe siècle, très peu de
discussions en ont reposé sur des analyses mathématiques rigoureuses (de Chéseaux
constituant une exception notable). Le traitement définitif du paradoxe d’Olbers
trouve son origine dans un article de Lord Kelvin, « Sur l’éther et la matière
gravifique au sein d’un espace infini », publié en 1901. Il y montra que selon le
modèle standard (victorien) de son époque, la Galaxie contenait bien trop peu
d’étoiles pour couvrir le ciel entier. Mais il alla plus loin, et prouva que, même si les
étoiles s’étendaient à l’infini dans l’espace, remplissant tout l’Univers, les étoiles
visibles ne pourraient aucunement recouvrir le ciel. Il appuya sa démonstration sur
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ses travaux antérieurs démontrant que les étoiles ne pouvaient briller indéfiniment,
leur durée de vie étant limitée par leurs ressources énergétiques disponibles. Kelvin
accomplit enfin le pas crucial consistant à penser la distance des étoiles en termes du
temps de parcours de la lumière qui nous en parvient. Ole Römer avait démontré
dès 1676 que la vitesse de la lumière est finie, et il peut sembler stupéfiant que
personne n’ait établi cette connexion plus tôt. En fait, Mark Twain et Edgar Allan Poe
avaient tous deux déjà écrit que la résolution du paradoxe d’Olbers reposait sur la
finitude temporelle de l’univers, mais les savants les avaient ignorés — ce n’étaient
après tout que des écrivains…
Quand nous regardons au loin dans l’espace, nous regardons aussi en arrière dans le
temps. L’obscurité que nous apercevons entre les étoiles lointaines est l’obscurité
primordiale qui existait avant la naissance des étoiles. Les évaluations modernes de la
distance d’un éventuel fond étoilé lumineux (la limite de visibilité) donnent une
valeur de 1023 années-lumière, ce qui veut dire que nous ne verrions des étoiles dans
toute direction que si elles avaient brillé depuis au moins 1023 années. Mais la durée
de vie d’une étoile moyenne telle le Soleil n’est que de 1010 années [le rapport de ces
deux échelles de temps, soit 1013 est comparable au rapport entre un million d’années
et une seconde !]. Ainsi, à la question de savoir où est passé l’essentiel de la lumière
stellaire, Kelvin répond qu’elle ne nous est tout simplement pas encore parvenue.
Malheureusement, l’article de Kelvin reçut peu d’attention à son époque, et fut
pratiquement ignoré jusqu‘à sa redécouverte par le cosmologiste Edward Harrison
en 1985.
Les cosmologies modernes
Au début du XXe siècle de considérables progrès dans la fabrication des télescopes
amenèrent un accroissement majeur de nos connaissances sur l’Univers. Le modèle
victorien d’Univers monogalactique fut abandonné et fit place à un modèle
multigalactique. Après la mise au point de la relativité générale par Einstein en 1916,
le physicien russe Alexandre Friedmann trouva en 1922 un ensemble de solutions
cosmologiques aux équations d’Einstein qui permettaient l’expansion de l’Univers, et
en 1929, Edward Hubble montra que l’Univers était effectivement en expansion.
L’idée d’un Univers statique infini dut être abandonnée. Le paradoxe d’Olbers joua
un rôle surprenant dans la détermination du nouveau modèle d’Univers.
Vers 1950, deux modèles d’univers étaient en compétition. Le modèle proposé par
Friedmann
et
le
Belge
Georges
Lemaître,
baptisé
plus
tard
[et
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malencontreusement…] “big bang”, suggérait un Univers en expansion d’âge fini,
cependant que le modèle d’“état stationnaire” de Hermann Bondi, Thomas Gold et
Fred Hoyle proposait un Univers d’âge infini en expansion perpétuelle. [Cette
théorie impliquait l’abandon de la loi de conservation de la matière. En effet, si
l’Univers est inchangé au cours du temps, sa densité ne doit pas varier, mais comme
il est en expansion, de la matière doit être créée continûment pour maintenir la
densité constante. Bondi évalua le taux moyen de création nécessaire à moins d’un
atome d’hydrogène par litre en un milliard d’années, une valeur si faible qu’elle ne
contredirait pas les expériences usuelles sur lesquelles est fondée la loi de
conservation de la matière.] Ces deux modèles reposaient sur le Principe
cosmologique qui avait été formalisé par Edward Milne en 1933. Dans sa forme la
plus simple, ce principe énonce qu’il n’existe aucun lieu privilégié dans l’Univers, idée
qui, comme on l’a indiqué, s’était progressivement imposée depuis que Copernic
avait proposé le système héliocentrique.
Dans son essai de 1957, Theories of Cosmology, Bondi décrivit les deux théories et
réévalua le traitement par Olbers du paradoxe du ciel noir. Bondi commence par
résumer ainsi les quatre hypothèses implicites d’Olbers :
1) l’Univers est homogène, de sorte que la distance moyenne entre les étoiles et
la luminosité moyenne d’une étoile sont uniformes dans l’espace,
2) l’Univers ne change pas au cours du temps (si on le considère à une échelle
suffisante),
3) il n’y a pas de mouvements d’ensemble systématiques dans l’Univers,
4) toutes les lois connues de la physique sont valables.
Puisque cet ensemble d’hypothèses conduit au paradoxe d’Olbers — un ciel nocturne
brillant autant que la surface du Soleil, résultat évidemment faux —, quelle est
l’hypothèse la plus aisée à abandonner ?
L’hypothèse 1) (homogénéité) repose sur un ensemble considérable de données
observationnelles, et regarder l’hypothèse 4) comme erronée ne conduirait à rien, de
sorte qu’elles sont à conserver toutes deux. On peut alors tenter d’abandonner
l’hypothèse 3) : si les étoiles distantes s’éloignent rapidement, la lumière qu’elles
émettent nous parvient décalée par effet Doppler vers des longueurs d’onde en
dehors du spectre visible, de sorte que nous ne pouvons les voir.
Comme l’expansion de l’Univers avait été découverte et que l’hypothèse 3) est donc
bien invalide, Bondi avança que l’expansion suffisait à résoudre le paradoxe d’Olbers,
alors que les deux hypothèses 2) et 3) doivent être abandonnées dans la théorie du
“big bang”. Bondi suggéra au contraire que l’on pouvait conserver l’hypothèse 2)
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(uniformité temporelle) en abandonnant l’hypothèse 3) (pas d’expansion). Il présenta
cette vision de l’univers par analogie avec une rivière coulant rapidement : toutes les
molécules d’eau individuelles se déplacent mais à grande échelle, la rivière conserve
une apparence inchangée. La solution spectaculaire de Bondi par la seule expansion
de l’Univers eut un grand succès, mais la découverte en 1965 du fond de
rayonnement micro-onde cosmique prouva que nous vivons bien dans un Univers
d’âge fini, qui a connu un état primordial chaud et dense. Or des calculs subséquents
par Harrison montrèrent que la solution de Bondi (décalage Doppler hors du spectre
visible) ne valait que dans un Univers d’“état stationnaire” et non dans un Univers de
“big bang” d’âge fini.
En définitive, si notre Univers ne baigne pas dans un rayonnement d’intensité
solaire, ce n’est pas à cause du décalage Doppler, mais parce que l’univers est jeune.
Les étoiles ne brillent que depuis dix milliards d’années et n’ont pas émis assez de
rayonnement pour rendre lumineux le ciel nocturne.
[Traduction et adaptation de J.-M. Lévy-Leblond]
Bibliographie
Ouvrage de référence (élémentaire, sauf les appendices)
— Harrison E., Le noir de la nuit (Seuil, 1987 ; 1998 en version de poche) [version
originale : Darkness at Night (Harvard University Press, 1987)]
Élémentaire
— http://pagespersoorange.fr/oncle.dom/astronomie/histoire/ciel_noir/ciel_noir.htm
— http://paradoxe_ciel_noir.de-france.org/
Un peu plus technique
— Harrison E., « The Dark Night Sky Paradox », Am. J. Phys. 45, 119 (1977)
— Pesic P., « Brightness at Night », Am. J. Phys. 66, 1013, 1998
Spécialisée
— Harrison E., « Background Radiation Density in an Isotropic Homogeneous
Universe », Month. Not. Royal Astr. Soc. 131, 1 (1964)
— Wesson P., « The Extragalactic Backrground Light and a Definitive Resolution of
Olbers’ Paradox », Astrophysical Journal 317, 601 (1987)
— Wesson P. & al., « Olbers’ Paradox and the Spectral Intensity of the Extra-Galactic
Background Light », Astrophysical Journal 367, 399 (1991)
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